(57)【要約】【課題】  ミラーの倒れ振動を速やかに減衰させることができ、光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびレーザ加工機を提供すること。【解決手段】  振動減衰部材６を保持する保持部材５を、振動減衰部材６の一部がミラー４に接触するようにして、スキャナ装置Ｓのハウジング１に固定する。この場合、振動減衰部材６を軸２の回転軸線の近傍に接触させると効果的である。【選択図】        図１
2005055610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動軸の端部にミラーを配置し、このミラーを前記揺動軸の軸線を中心に揺動させることにより、前記ミラーに入射する光を所望の位置に位置決めするスキャナ装置において、
前記ミラーの背面に当接し、ミラーに生じる振動を減衰させる振動減衰部材を備えていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項２】
前記振動減衰部材は前記ミラーの揺動軸に沿って当接していることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
【請求項３】
前記振動減衰部材は前記ミラーの揺動軸位置に嵌入して当接していることを特徴とする請求項１記載のスキャナ装置。
【請求項４】
前記振動減衰部材を保持する保持部材を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスキャナ装置。
【請求項５】
前記保持部材を前記回転軸を支持する支持部材に支持させることを特徴とする請求項４に記載のスキャナ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスキャナ装置を備え、当該スキャナ装置によりレーザを位置決めすることを特徴とするレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の光を位置決めをするために使用されるスキャナ装置およびレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板に穴を加工するレーザ加工機やレーザマーカ等のレーザ加工機では、電磁力駆動形式のガルバノスキャナ（以下、「スキャナ装置」と呼ぶ）を用いてレーザ反射用のミラーを位置決め制御し、レーザを所望の位置に位置決めして加工を行っている。
【０００３】
スキャナ装置は、軸、軸受、コイル、角度センサ、永久磁石等から構成され、専用のコントロールシステムにより制御される。コイルは軸と一体に構成され、軸受により支持されている。永久磁石はコイルを囲むように配置されコイルの周囲に磁界を作る。角度センサは軸の回転角を検出する。角度センサには、構造が簡単で、高応答、高精度である静電容量型センサが多く用いられている。ミラーは軸の端部に固定され、軸と一体に揺動する。
【０００４】
角度目標値信号がスキャナ装置のコントローラに入力されると、コントローラは、その信号に応じた大きさの電流をコイルに供給する。電流がコイルに供給されると、コイルに流れる電流と永久磁石との電磁相互作用により電流値に比例したトルクがコイルに作用する結果、軸が回転する。軸の回転角は角度センサによって検出され、この角度信号がコントローラへフィードバックされて、軸すなわちミラーを高精度に位置決めする（例えば、特許文献１参照）。なお、このようなスキャナ装置の場合、通常３６０度の回転動作は必要とされず、回転角度±１０度以内の揺動動作が行えればよい。
【０００５】
ところで、プリント基板用のレーザ加工機やレーザマーカでは、ミラーを位置決めした後にレーザ照射による加工を行うので、動き出しから整定までの時間として１ｍｓ前後であることが要求される。
【０００６】
軸あるいはコイルの質量アンバランス、あるいはコイルを駆動する電磁力のアンバランス等が存在すると、慣性力あるいは電磁力のアンバランス分が軸の曲げ振動を励振する。この振動成分をミラーの面内方向成分と面外方向成分に分けると、ミラーの面内方向の振動はレーザの位置決めに影響を与えないが、ミラーの面外方向の振動（以下、「倒れ振動」と呼ぶ。）はレーザの位置を変動させる。
【０００７】
ミラーに倒れ振動が発生すると、本来の位置決め方向である回転方向と直交する方向に位置決め誤差が生ずる。応答速度の向上、あるいは、スキャナ装置に取り付けられるミラーの大型化に伴って、スキャナ装置に対する機械的な負荷が従来に比べて増大しており、これまでは許容範囲に収まっていたスキャナ装置の構造振動が許容レベルを超えてしまうという事例が発生するようになった。
【０００８】
ミラーの倒れ振動を防止するため、ミラーの先端に設けたミラーホルダを回転自在に支持する回転支持機構を備えたスキャナ装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
回転支持機構として軸受を使用した場合、芯合せを精密に行わなければならないため、特許文献２には、回転ピンをミラー先端の端面に接触させてミラーを支持することにより芯合せを回避する方法が示されている。このようにすると、ミラーの倒れ方向の剛性を向上させることができるので、ミラー倒れ振動を低減することができた。
【特許文献１】特開平７−５５５００号公報
【特許文献２】特開２００２−２９６５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ミラー端面の支持部に十分な剛性を持たせるには、接触点に予圧を加えて摩擦力を確保する必要があり、この予圧によってミラーが変形する可能性がある。また、回転ピンとミラーが直接接触しているので、ミラーが摩耗する可能性がある。
【００１１】
また、特許文献２には、カップリングあるいはばねを用いることにより芯ずれを吸収する構成が示されているが、芯ずれの吸収効果を大きくすると、ミラー先端の支持剛性が低下して振動の低減効果が小さくなる。また、ミラー先端の支持部に十分な剛性を持たせるために軸受に匹敵する剛性の大きいカップリングあるいはばねを採用すると、芯ずれの吸収効果が低減されるし、ミラー先端に取り付ける付属物の質量の増加も懸念される。
【００１２】
以上のように、回転支持機構は、支持位置がミラー先端部に限定され、また、ミラー先端の回転中心を高い剛性で支持しなければならないため、ミラー先端に付属物が必要とされるだけでなく、芯合せなどの精密なセッティングが必要になる。また、ミラーの変形、摩耗なども懸念される。特許文献２では、ミラーの倒れ振動の防止について考慮されているが、これらの点について更なる改善が望まれていた。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ミラーの倒れ振動を速やかに減衰させることができ、光の位置決め精度を向上させることができるスキャナ装置およびレーザ加工機を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図６は１自由度系の振動モデルとそのインパルス応答とを示す図であり、（ａ）は基準モデル、（ｂ）は（ａ）におけるばね定数を大きくした場合、（ｃ）は減衰比２０％の振動減衰部材を設けた場合である。また、（ｄ）は同一のインパルス負荷に対する各モデルの応答を、基準モデルの振幅で正規化して示す図である。
【００１５】
基準モデルの固有振動数が１ｋＨｚになるように質量ｍとばね定数ｋの値を決めた場合、インパルス応答は（ｄ）における曲線（ａ）になる。また、ばね定数Ｋ（ただし、Ｋ＝４ｋ）の場合、インパルス応答は（ｄ）における曲線（ｂ）になる。また、減衰比２０％の振動減衰部材を設けた場合、インパルス応答は（ｄ）における曲線（ｃ）になる。
【００１６】
同図（ｄ）から明らかなように、ばねの剛性を４倍にすると、振動振幅は半減するが、ばね剛性を４倍にするということは固有振動数を２倍にすることと等価である。すなわち、振動振幅を半減するためには固有振動数を２倍にすることが必要になり、これは軸受によってミラー先端を支持したとしても難しい課題である。また、振動振幅をさらに低減するには、固有振動数の一層の向上を図らなければならないだけでなく、残留振動が無視できない。
【００１７】
これに対して、振動減衰材を設けた場合には、インパルスが負荷された直後は振動が若干残るが、３周期後には確認できない程度まで振動が減衰している。
【００１８】
インパルス負荷直後は動き出しの時点であり、実際のスキャナでは整定までの間に十分減衰すればよいので、インパルス直後の振動よりも残留振動の低減の方が重要である。したがって、振動減衰部材を設けることにより残留振動を抑制できることは有効であり、しかも、外部の加振源によって励振されるような場合であっても、減衰が大きいので共振による振動の増大を抑えることができる。さらに、減衰効果の高い粘弾性体を使用すると、減衰比をより高くすることが可能である。このように、振動減衰材を用いた構成は、容易に、かつ、効果的に振動を低減することができるので有利である。
【００１９】
以上の結果に基づき、上記の目的を達成するため、本発明の第一の手段は、回転軸の端部にミラーを配置し、このミラーを前記回転軸の軸線の回りに回転させることにより、前記ミラーに入射する光を所望の位置に位置決めするスキャナ装置において、振動減衰部材と、前記振動減衰部材を保持する保持部材と、を設け、
前記保持部材を、前記振動減衰部材が前記ミラーに当接するように配置して、前記ミラーに発生する振動を減衰させることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の第二の手段は、レーザ加工機として請求項１又は請求項２に記載のスキャナ装置によりレーザを位置決めすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、振動減衰機構によりミラーの倒れ振動を減衰させるようにしたので、光の位置決め精度を向上させることができる。また、芯合わせなどの精密なセッティングが不要であるので、組み立てが容易であり、しかもミラーの倒れ振動を効果的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本発明に係るスキャナ装置の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）のＺ矢視図である。
【００２４】
スキャナ装置Ｓのハウジング１の内部には、軸２の軸受や、コイル、角度センサ、永久磁石等が収納されている。ミラー４は、マウンタ３を介して軸２の一方の端部に固定されている。支持部材５はハウジング１に固定されている。なお、支持部材５は、剛性が大きいものであっても、あるいは板ばねのように剛性が小さいものであってもよい。
【００２５】
支持部材５には振動減衰部材６が接続されている。振動減衰部材６は直方体形状をしており、同図（ｂ）に示すように、一方の端部がミラー４の裏面の回転中心線の近傍に接触している。振動減衰部材６のミラー４と接触している面は円弧状に形成され、ミラー４の回転を妨げないように構成されている。
【００２６】
次に、本実施例の動作を説明する。
【００２７】
ミラー４を位置決めする際、軸２あるいはコイルの質量アンバランス、あるいは電磁力のアンバランス等により軸２に曲げ振動が発生し、ミラー４に倒れ振動が発生する。また、上記のようなアンバランスが存在しない場合であっても、外部からの振動の伝達によりミラー４に倒れ振動が発生し、外部の励振源の周波数が軸２の曲げ振動の共振周波数に近い場合には、特に大きな倒れ振動が励起される。
【００２８】
ミラー４に倒れ振動が励起されると、この振動は振動減衰部材６に伝達されてエネルギが消費される。この結果、倒れ振動は減衰する。
【００２９】
ここで、振動減衰部材６をミラー４に接触させる位置について説明する。
【００３０】
振動伝達部材６をミラー４に接触させるのはミラー４に発生した振動の伝達経路を作るためであり、ミラーを剛的に支持するためではない。したがって、接触点は任意の位置に配置することができるが、ミラー４の回転を阻害しないようにするため、接触点は回転の軸線上、あるいはその近傍に設けることが好ましい。
【００３１】
また、ミラー４の変位の大きい部分に振動伝達部材６を接触させると、エネルギの消費率を高くできる。図１の場合、ミラー４の先端側（軸２と反対の自由端側）が振動の腹であり、先端に近いほど振幅が大きいので、先端に近い側で振動伝達部材６を接触させると効果的である。
【００３２】
すなわち、振動減衰機構６を接触させる位置としては回転の軸線近傍でミラー４の先端に近い位置が好ましい。
【００３３】
なお、振動減衰部材６とミラー４を接触させる場合、予圧はしてもしなくてもよい。予圧なしで接触させた場合、倒れ振動が発生した際、半周期ごとにミラー４が振動減衰部材６から離れるが、振動減衰部材６と接触している間に振動エネルギが消費されるので倒れ振動を低減することができる。
【００３４】
また、ミラー４には厚みがあり、通常、重心が回転の軸線に一致するように配置されており、ミラー４と振動減衰部材６の接触点は回転の軸線から離れている。このため、ミラー４が回転する際に振動減衰部材６との間にすべりが生ずるが、ミラー４の揺動角度は±１０°程度であり、問題になることはほとんどない。しかし、ミラー４と振動減衰部材６との間のすべりが問題にされる場合には、同図（ｃ）に示すように、ミラー４に凹部１０を設けて回転中心と接触点を一致させるようにすればよい。
【００３５】
接触点を回転中心線近傍以外に設ける場合、接触点が回転中心線から離れるに従って接触点の変位が大きくなるため、振動減衰部材６のばね作用が無視できなくなる。したがって、このばね作用がミラー４を位置決めする際のサーボ特性に影響を与えない場合には、ミラー４の側面（回転の軸線と平行な面）に振動減衰部材６を設ける構成にしてもよい。このようにミラー側面に振動減衰機構を設ける場合は、例えば板ばねのような剛性の小さい部材を用いて振動減衰部材６をミラー４に接触させると、振動減衰部材６の反力の影響を軽減できる。 
振動減衰部材６としては、粘弾性体等が使用できるが、その他に、シリコンオイルを充填したダンパー等を用いてもよい。
【００３６】
この実施例では、ミラー４の先端側を拘束しないので、例えば熱により軸２やミラー４が軸線方向に伸張した場合であっても反射面が変形することはないので、レーザの位置決め精度が低下することはない。
【００３７】
図２は、本発明の第一の変形例を示すスキャナ装置の斜視図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）のＺ矢視図である。なお、図１と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
振動減衰部材６には、振動伝達部材７が配置されている。振動伝達部材７は接触面を円弧状あるいは球状に仕上げた鋼部材あるいはゴムなどの弾性体が使用される。
【００３９】
振動伝達部材７は、ミラー４の裏面に固定された耐摩耗部材８を介してミラー４に接触している。
【００４０】
次に、この変形例の動作を説明する。  
ミラー４に倒れ振動が発生すると、この振動は振動伝達部材７を介して振動減衰部材６へ伝達され、エネルギが消費されてミラー４の倒れ振動を低減することができる。
【００４１】
このように、振動伝達部材７を設けると、ミラー４と振動減衰部材６が接触する領域を小さくできるので、ミラー４が回転する際の抵抗を小さくすることができる。
【００４２】
なお、耐摩耗部材８はミラー４の微量の摩耗が問題になる場合に取り付ければよく、そのような問題が生じない場合には設ける必要がない。
【００４３】
図３は本発明の第二の変形例を示すスキャナ装置の斜視図であり、図１、２と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
支持部材５には振動伝達部材７ｂがねじ９により締結されている。振動伝達部材７ｂは、例えば板ばねのような柔らかい弾性体で構成されている。振動伝達部材７ｂには振動減衰部材６ｂが貼り付けてある。振動伝達部材７ｂの先端には、振動減衰部材６ａが固定されている。振動減衰部材６ａには振動伝達部材７ａが固定されている。振動伝達部材７ａは、耐摩耗部材８を介してミラー４に接触している。
【００４５】
次に、この変形例の動作を説明する。
【００４６】
ミラー４に倒れ振動が発生すると、この振動は振動伝達部材７ａを介して振動振動減衰部材６ａに伝達され、振動エネルギが消費される。さらに、除き切れない振動は振動伝達部材７ｂに伝達される。振動伝達部材７ｂには振動減衰部材６ｂが貼り付けてあるので、振動伝達部材７ｂに伝わった振動のエネルギは振動減衰部材６ｂで消費されて振動が低減される。この結果、ミラー４の倒れ振動を低減することができる。
【００４７】
この変形例では、振動伝達部材７ｂを板ばねのような柔らかい弾性体で構成したので、振動伝達部材７ａをミラー４に向けて付勢させておく（予圧する）ようにすると、振動伝達部材７ａをミラー４に接触させることができる。この結果、ミラー４に倒れ振動が発生した際に、振動伝達部材７ａがミラー４から離れないので、振動低減効果を大きくすることができる。また、振動伝達部材７ｂに振動減衰部材６ｂを貼り付けたので、振動低減効果をさらに大きくすることができる。
【００４８】
図４は本発明の第三の変形例を示すスキャナ装置の斜視図であり、図１〜３と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
支持部材５には片持ち梁状の振動伝達部材７ｂがねじ９により締結されている。振動伝達部材７ｂは、例えば板ばねのような柔らかい弾性体、あるいは、粘弾性体で構成されている。振動伝達部材７ｂには振動減衰部材６が貼り付けてある。振動伝達部材７ｂの先端には振動伝達部材７ａが固定されている。振動伝達部材７ａは、耐摩耗部材８を介して回転の軸線近傍でミラー４の端面に接触している。
【００５０】
次に、この変形例の動作を説明する。
【００５１】
ミラー４に倒れ振動が発生すると、振動伝達部材７ａ、７ｂがミラー４と一体になって振動する。振動伝達部材７ｂには振動減衰部材６が貼り付けてあるので、振動伝達部材７ｂに伝わった振動は振動減衰部材６で消費されて振動が低減される。その結果、ミラー４の倒れ振動を低減することができる。
【００５２】
この変形例では、振動伝達部材７ｂを板ばねのような柔らかい弾性体で構成し、振動伝達部材７ａを予圧して、回転の軸線近傍でミラー４の端面に接触させたので、ミラー４の回転に対する抵抗を小さくすることができる。また、倒れ振動によって振動伝達部材７ａと耐摩耗部材８との接触点が離れないので、倒れ振動の低減効果をさらに大きくすることができる。
【００５３】
図５は本発明の第四の変形例を示すスキャナ装置の斜視図であり、図１〜４と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。なお、この変形例は、ミラー４の回転範囲が小さく、振動減衰部材のばね作用を無視できる場合である。
【００５４】
支持部材５には振動減衰部材６ａと２個の振動減衰部材６ｂが保持されている。振動減衰部材６ａはミラー４の先端側の端面に接触している。振動減衰部材６ｂはそれぞれミラー４の側面に接触している。
【００５５】
次に、この変形例の動作を説明する。
【００５６】
ミラー４に倒れ振動が発生すると、この振動は振動減衰部材６ａ、６ｂに伝達され、振動エネルギが振動減衰部材６ａ、６ｂで消費される。この結果、ミラー４の倒れ振動を低減することができる。
【００５７】
この変形例では、振動減衰部材６ａ、６ｂをミラー４の周囲に配置したので、振動低減効果を向上させることができる。また、軸２のねじれ振動のピークを抑える効果もある。
【００５８】
なお、板ばねのような剛性の小さい部材を支持部材５に固定し、この部材を介して振動減衰部材６ａ、６ｂをミラー４に接触させる構造にすると、振動減衰部材６ａ、６ｂのばね作用の影響を軽減することができる。
【００５９】
図７はプリント基板に穴を加工するレーザ加工機の一例を示す構成図である。図７において、レーザ発振器２１０から出力されたレーザビーム３０は、ミラー２１３ａ、ミラー２１３ｂを介して、コリメータ２１２やアパーチャ２１４等で構成される光学的ビーム処理系を経て整形され、さらにミラー２１３ｃ、ミラー２１３ｄ、ミラー２１３ｅ、ミラー２１３ｆを介して第一のガルバノスキャナ２３のミラー２３ａに入射する。ミラー２３ａは中立位置のときに図中右方向から入射するレーザビーム３０を図中前方向に反射する。そして、ミラー２３ａの角度を変えることにより、レーザビーム３０の進路を図中水平面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中左右方向（Ｙ軸方向）に変化させることができる。
【００６０】
ミラー２３ａで反射されたレーザビーム３０は、次に第二のガルバノスキャナ２３のミラー２３ｂに入射する。ミラー２３ｂは中立位置のときに図中奥方向から入射するレーザビーム３０を図中下方向に反射する。そして、ミラー２３ｂの角度を変えることにより、レーザビーム３０の進路を図中前後方向の垂直面内、すなわちＸＹテーブル上のスポット位置では図中前後方向（Ｘ軸方向）に変化させることができる。ミラー２３ｂで反射されたレーザビーム３０は、Ｆθレンズ２４１を介して、ＸＹテーブル２５３上に載置されたプリント基板２５２に照射される。ＸＹテーブル２５３はＹ軸駆動機構２５４によりＹ軸方向に、Ｙ軸駆動機構２５４はＸ軸駆動機構２５５によりＸ軸方向にそれぞれ駆動され、ベッド２５６上をＸＹ方向に位置決め自在である。
【００６１】
このようなレーザ加工機のガルバノスキャナ２３ａ，２３ｂとして本実施例に係るスキャナ装置Ｓを使用すると、振動減衰部材６，６ａ，６ｂによりミラーの倒れ振動が低減されるので、光の位置決め精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例に係るスキャナ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例に係るに係るスキャナ装置の第一の変形例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例に係るに係るスキャナ装置の第二の変形例を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係るに係るスキャナ装置の第三の変形例を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施例に係るの実施例に係るに係るスキャナ装置の第四の変形例を示す斜視図である。
【図６】１自由度系の振動モデルとそのインパルス応答とを示す図である。
【図７】本発明の実施例に係るスキャナ装置を使用したレーザ加工機の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  ハウジング
２  軸
４  ミラー
５  保持部材
６  振動減衰部材
Ｓ  スキャナ装置
【図１】
2005055610.tif 000003
【図２】
2005055610.tif 000004
【図３】
2005055610.tif 000005
【図４】
2005055610.tif 000006
【図５】
2005055610.tif 000007
【図６】
2005055610.tif 000008
【図７】
2005055610.tif 000009